RU72432U1

RU72432U1 - COMPOSITION HEAT EXCHANGER WITH INTERNAL CAVES

Info

Publication number: RU72432U1
Application number: RU2007145798/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Петрович Писарев; Юрий Павлович Трыков; Леонид Моисеевич Гуревич; Виктор Георгиевич Шморгун; Вячеслав Федорович Казак
Priority date: 2007-12-10
Filing date: 2007-12-10
Publication date: 2008-04-20

Abstract

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках. Композиционный теплообменник с внутренними полостями, содержит трубчатые полостеобразующие элементы и отличается тем, что полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими с внутренними слоями 1 из меди, а наружными слоями 2 из латуни, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения 3. В поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой и со стальными плакирующими слоями 4, 5 сваркой взрывом по всем поверхностям контакта 6, 7, 8, толщина стальных плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни. Техническим результатом, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели, является то, что, в сравнении с прототипом предложенная конструкция цельносварного композиционного теплообменника имеет более благоприятную - овальную форму поперечных сечений внутренних полостей, что, в сочетании с биметаллической конструкцией полостеобразующих элементов, четырехслойными пермычками между смежными полостями и с наличием стальных плакирующих слоев, обеспечивает более высокую прочность и непроницаемость для жидкостей и газов полостеобразующих элементов, а также более высокую прочность на изгиб изделия в целом.The utility model relates to products made by explosion welding and is intended for use in cryogenic, chemical and power plants. The composite heat exchanger with internal cavities contains tubular cavity-forming elements and is characterized in that the cavity-forming elements are made bimetallic with the inner layers 1 of copper and the outer layers 2 of brass, while in each cavity-forming element the layer of brass is connected to the layer of copper by explosion welding according to the entire surface of their contact 3. In the cross section, the internal cavities are oval in shape, adjacent cavity-forming elements are interconnected and with steel cladding layers 4, 5 by explosion welding on all contact surfaces 6, 7, 8, the thickness of the steel cladding layers is 1.5-1.7 the thickness of the brass layer. The technical result that is ensured by the implementation of this utility model is that, in comparison with the prototype, the proposed design of the all-welded composite heat exchanger has a more favorable - oval cross-sectional shape of the internal cavities, which, in combination with the bimetallic design of the cavity-forming elements, four-layer plugs between adjacent cavities and with the presence of steel cladding layers, provides higher strength and impermeability to liquids and gases olosteobrazuyuschih elements as well as a high flexural strength products in general.

Description

Полезная модель относится к изделиям, изготовленным сваркой взрывом и предназначается для использования в криогенных, химических и энергетических установках.The utility model relates to products made by explosion welding and is intended for use in cryogenic, chemical and power plants.

Известна листовая конструкция одноканального теплообменного устройства, выполненного из сваренного взрывом биметалла со сквозным каналом сложной формы для пропускания через него хладоносителя (Ю.П.Трыков, В.Г.Шморгун, Д.В.Проничев. Комплексные технологии изготовления композиционных теплозащитных элементов / Сварочное производство №6, 2000 г., С.40-43). Недостатком данной конструкции является значительная нерегулярность площади поперечного сечения внутреннего канала, что создает дополнительные препятствия при транспортировке веществ через этот канал, возможность расслоения биметалла при прокачивании жидкости или газа через внутренний канал под большим давлением из-за наличия хрупкой интерметаллидной прослойки в зоне соединения металлов, малая герметичность металла, контактирующего с внутренним каналом из-за большой вероятности появления при сварке взрывом тонколистовых металлов несплошностей и других дефектов, что существенно ограничивает применение таких конструкций в агрегатах ответственного назначения.Known sheet design of a single-channel heat exchanger made of explosion-welded bimetal with a through channel of complex shape for passing coolant through it (Yu.P. Trykov, V.G.Shmorgun, D.V. Pronichev. Complex technologies for manufacturing composite heat-protective elements / Welding production No. 6, 2000, S.40-43). The disadvantage of this design is the significant irregularity in the cross-sectional area of the inner channel, which creates additional obstacles when transporting substances through this channel, the possibility of stratification of the bimetal when pumping liquid or gas through the internal channel under high pressure due to the presence of a brittle intermetallic layer in the metal junction zone, small tightness of metal in contact with the internal channel due to the high probability of the appearance of thin-sheet metal during explosion welding in discontinuities and other defects, which significantly limits the use of such constructs in aggregates responsible destination.

Известны конструкции многоканальных биметаллических теплообменников, изготовленных с помощью взрывных технологий (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление теплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.34-35). Одна из таких конструкций изготовлена из тонких металлических листов одинаковой толщины, а другая - из тонкого и толстого листового металла. В обеих конструкциях внутренние проходные каналы заданного профиля сформированы гидравлическим давлением в специальных приспособлениях. Known designs of multichannel bimetallic heat exchangers made using explosive technologies (Yu.P. Trykov, S.P. Pisarev. Production of heat-exchange composite elements using explosive technologies / Welding production No. 6, 1998, S. 34-35). One of these structures is made of thin metal sheets of the same thickness, and the other is made of thin and thick sheet metal. In both designs, the internal passage channels of a given profile are formed by hydraulic pressure in special devices.

На межслойных границах высокотемпературным нагревом формируют диффузионные прослойки для снижения теплопередачи в поперечном направлении. Общим недостатком данных конструкций является малая герметичность сварных соединений в местах расположения перемычек между смежными каналами, особенно, когда ширина перемычек менее 10-15 мм. Кроме того, велика вероятность нарушения сплошности тонколистового металла при формировании внутренних каналов, что ограничивает возможности использования таких конструкций в тепловых агрегатах ответственного назначения, особенно, когда требуется повышенная герметичность перемычек между смежными каналами.Diffusion layers are formed on the interlayer boundaries by high-temperature heating to reduce heat transfer in the transverse direction. A common drawback of these designs is the low tightness of welded joints at the locations of the bridges between adjacent channels, especially when the width of the bridges is less than 10-15 mm. In addition, there is a high probability of violation of the continuity of sheet metal during the formation of internal channels, which limits the possibility of using such structures in thermal units for critical purposes, especially when increased tightness of the bridges between adjacent channels is required.

Наиболее близкой по технической сущности является конструкция биметаллического теплообменника, полученного сваркой взрывом (Ю.П.Трыков, С.П.Писарев. Изготовление тсплообменных композиционных элементов с помощью взрывных технологий / Сварочное производство №6, 1998 г., С.35 - прототип), в которой полые полостеобразующие элементы прямоугольной формы соединены сваркой взрывом между собой и с двумя плакирующими пластинами. Недостатком данной конструкции является то, что полостеобразующие элементы являются однослойными и имеют прямоугольную форму. В местах наибольших деформаций полостеобразующих элементов, в их угловых частях, при сварке взрывом происходит сильный локальный разогрев металла труб с частичным плавлением металла, что снижает их прочность и герметичность, а это ограничивает применение таких изделий в теплообменной аппаратуре ответственного назначения.The closest in technical essence is the design of the bimetallic heat exchanger obtained by explosion welding (Yu.P. Trykov, S.P. Pisarev. Production of heat transfer composite elements using explosive technologies / Welding production No. 6, 1998, S. 35 prototype) in which hollow cavity-forming elements of a rectangular shape are connected by explosion welding between themselves and with two cladding plates. The disadvantage of this design is that the cavity-forming elements are single-layer and have a rectangular shape. In places of greatest deformations of cavity-forming elements, in their angular parts, explosion welding causes a strong local heating of the pipe metal with partial melting of the metal, which reduces their strength and tightness, and this limits the use of such products in critical heat exchangers.

Задачей при разработке данной полезной модели является создание новой, более прочной конструкции теплообменника на изгиб, с повышенной прочностью и герметичностью металлических слоев и перемычек между смежными полостями.The task in developing this utility model is to create a new, more durable bending heat exchanger design, with increased strength and tightness of the metal layers and jumpers between adjacent cavities.

Технический результат, который обеспечивается при осуществлении данной полезной модели - увеличение прочности и непроницаемости для The technical result that is ensured by the implementation of this utility model is an increase in strength and impermeability for

жидкостей и газов полостеобразующих элементов с обеспечением при этом высокой прочности изделия в целом при изгибающих нагрузках.liquids and gases of cavity-forming elements while ensuring high strength of the product as a whole under bending loads.

Указанный технический результат достигается тем, что полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими с наружными слоями из более прочного металла - латуни, внутренними - из менее прочной, но обладающей высокой теплопроводностью - меди, при этом в каждом полостеобразующем элементе слой из латуни соединен со слоем из меди сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, в поперечном сечении внутренние полости имеют овальную форму, что исключает вероятность появления обширных зон плавления металла, снижающих прочность и герметичность изделия, смежные полостеобразующие элементы соединены между собой и с плакирующими слоями сваркой взрывом по и всем поверхностям контакта, толщина плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни.The specified technical result is achieved in that the cavity-forming elements are made bimetallic with the outer layers of a more durable metal - brass, the inside - of a less durable, but highly heat-conductive - copper, while in each cavity-forming element the brass layer is connected to the copper layer by explosion welding over the entire surface of their contact, in cross section, the internal cavities are oval in shape, which eliminates the likelihood of the appearance of extensive melting zones of the metal, which reduce the strength and germ the product is natural, adjacent cavity-forming elements are interconnected and with cladding layers by explosion welding over all contact surfaces, the thickness of the cladding layers is 1.5-1.7 of the thickness of the brass layer.

В отличие от прототипа полостеобразующие элементы выполнены биметаллическими - из латуни и меди. Латунь обладает в 1,4-1,6 раза большей прочностью и твердостью, чем медь, что способствует повышению прочности сваренных взрывом изделий при растягивающих и изгибающих нагрузках. Слои из латуни и меди соединены сваркой взрывом по всей поверхности их соприкосновения, поэтому в зонах соединения слоев не возникает дополнительных термических сопротивлений, снижающих эффективность теплообмена в связи с отсутствием в них непроваров, расслоений, трещин, пор и других дефектов.Unlike the prototype, the cavity-forming elements are made of bimetallic ones made of brass and copper. Brass has 1.4-1.6 times greater strength and hardness than copper, which helps to increase the strength of explosion-welded products under tensile and bending loads. The brass and copper layers are connected by explosion welding over the entire surface of their contact, therefore, in the zones of connection of the layers there are no additional thermal resistances that reduce the heat transfer efficiency due to the absence of lack of penetration, delamination, cracks, pores and other defects.

В предлагаемой конструкции композиционного теплообменника перемычки между смежными полостями четырехслойные, состоящие из двух слоев латуни и двух - из меди, что существенно повышает их герметичность, прочность на растяжение, изгиб и срез, благодаря чему полностью исключается возможность перемешивания и нежелательного химического взаимодействия жидкостей или газов - теплоносителей, прокачиваемых через внутренние полости при эксплуатации изделия.In the proposed design of the composite heat exchanger, the jumpers between adjacent cavities are four-layer, consisting of two layers of brass and two of copper, which significantly increases their tightness, tensile strength, bending and shear, which completely eliminates the possibility of mixing and undesirable chemical interaction of liquids or gases - coolants pumped through the internal cavity during operation of the product.

В предложенной конструкции внутренние полости в поперечном сечении имеют овальную форму, что снижает внутренние напряжения в металле, контактирующем с внутренними полостями, а это, в свою очередь, уменьшает вероятность появления трещин при эксплуатации теплообменников при знакопеременных нагрузках. Кроме того, при получении изделий сваркой взрывом при такой конфигурации внутренних полостей исключена вероятность появления при сварке взрывом обширных зон плавления металла, ухудшающих прочность и герметичность изделия.In the proposed design, the internal cavities in the cross section are oval in shape, which reduces the internal stresses in the metal in contact with the internal cavities, and this, in turn, reduces the likelihood of cracks during operation of the heat exchangers under alternating loads. In addition, upon receipt of products by explosion welding with this configuration of internal cavities, the probability of occurrence during explosion welding of large melting zones of the metal, impairing the strength and tightness of the product, is excluded.

В предлагаемой конструкции полостеобразующие элементы соединены между собой и со стальными плакирующими слоями сваркой взрывом по всем поверхностям контакта, толщина плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни, что обеспечивает высокую прочность теплообменника при испытаниях на изгиб и интенсивный теплообмен между веществами, находящимися в смежных полостях.In the proposed design, the cavity-forming elements are interconnected and with steel cladding layers by explosion welding on all contact surfaces, the thickness of the cladding layers is 1.5-1.7 of the thickness of the brass layer, which ensures high strength of the heat exchanger during bending tests and intense heat transfer between substances located in adjacent cavities.

При толщине стальных плакирующих слоев менее 1,5 толщины слоя из латуни возможно нарушение их сплошности в процессе сварки взрывом, что ухудшает служебные свойства изделия. Толщина стальных плакирующих слоев более 1,7 толщины слоя из латуни является избыточной, поскольку при эксплуатации изделия снижается эффективность теплообмена между веществами, находящимися во внутренних полостях и окружающей средой.If the thickness of the steel cladding layers is less than 1.5 of the thickness of the brass layer, their continuity during explosion welding is possible, which impairs the service properties of the product. The thickness of the steel cladding layers of more than 1.7 of the thickness of the brass layer is excessive, since the operation of the product decreases the efficiency of heat transfer between substances in the internal cavities and the environment.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на рисунке 1 изображен внешний вид изделия. Композиционный теплообменник с внутренними полостями состоит из соединенных сваркой взрывом полостеобразующих элементов, состоящих из медных 1 и латунных слоев 2, соединенных между собой сваркой взрывом по всем поверхностям их соприкосновения 3. Слои из латуни смежных полостеобразующих элементов соединены между собой и с стальными плакирующими слоями 4, 5 сваркой взрывом по всем поверхностям контакта 6, 7, 8. Толщина стальных плакирующих слоев составляет 1,5-1,7 толщины слоя из латуни. Внутренние полости 9 имеют овальную форму.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, where figure 1 shows the appearance of the product. A composite heat exchanger with internal cavities consists of explosion-welded cavity-forming elements consisting of copper 1 and brass layers 2, connected by explosion welding on all surfaces of their contact 3. Brass layers of adjacent cavity-forming elements are interconnected with steel cladding layers 4, 5 by explosion welding on all contact surfaces 6, 7, 8. The thickness of the steel cladding layers is 1.5-1.7 of the thickness of the brass layer. The internal cavity 9 are oval.

Работа композиционного теплообменника осуществляется следующим образом. С двух торцевых сторон изделия приваривают, например, сваркой плавлением к слоям 1, 2 металлические трубопроводы для пропускания через внутренние полости изделия 9 жидкостей или газов - теплоносителей, а также нагреваемых или охлаждаемых жидких или газообразных веществ. Вещества-теплоносители в полостях 9 чередуются с веществами-теплоприемниками. Теплообмен между этими веществами осуществляется через четырехслойные перемычки между смежными полостями, состоящие из двух медных слоев 1 и двух латунных слоев 2, соединенных между собой сваркой взрывом на участках 3, 6.The operation of the composite heat exchanger is as follows. From two end sides of the product, for example, metal pipelines are welded by fusion welding to layers 1, 2 to pass liquids or gases, heat carriers, and also heated or cooled liquid or gaseous substances through the internal cavities of the product. Heat-transfer agents in cavities 9 alternate with heat-sink substances. Heat exchange between these substances is carried out through four-layer jumpers between adjacent cavities, consisting of two copper layers 1 and two brass layers 2, interconnected by explosion welding in sections 3, 6.

В другом варианте использования композиционный теплообменник с приваренными, как указано выше металлическими трубопроводами, помещают в жидкую или газообразную среду-теплоприемник, а вещество-теплоноситель пропускают через внутренние полости 9. В данном случае теплообмен с внешней средой-теплоприемником осуществляется, в основном, через двухслойные, состоящие из слоев меди 1 и латуни 2, стенки полостеобразующих элементов и через стальные плакирующие слои 4, 5.In another use case, a composite heat exchanger with welded metal pipelines, as indicated above, is placed in a liquid or gaseous heat-receiving medium, and the heat-transfer substance is passed through the internal cavities 9. In this case, heat exchange with the external heat-receiving medium is carried out mainly through two-layer consisting of layers of copper 1 and brass 2, walls of cavity-forming elements and through steel cladding layers 4, 5.

Пример исполнения №1. Исходными материалами для изготовления композиционного теплообменника были 10 труб из латуни Л80 (ГОСТ 15527-70) с наружным диаметром 18 мм, внутренним - 14 мм, длиной 250 мм и столько же труб такой же длины из меди M1 (ГОСТ 859-78) с наружным диаметром 10 мм, внутренним - 6 мм. При указанных размерах трубных заготовок толщина каждого слоя из латуни Т_лат=2 мм. В качестве заготовок для плакирующих слоев использовали пластины из стали 12Х18Н10Т длиной 270 мм, шириной 210 мм. Толщина плакирующих слоев Тпл=3 мм, что составляет 1,5·Т_лат. Медные трубы размещали соосно внутри латунных, а затем осуществлялась сборка плоского пакета из плакирующих пластин и полученных трубных заготовок и сварка его взрывом. В результате совмещения операций высокоскоростного формообразования труб энергией взрыва и сварки взрывом получали изделие, изображенное на рисунке 1 с Execution example No. 1. The starting materials for the manufacture of the composite heat exchanger were 10 pipes made of brass L80 (GOST 15527-70) with an external diameter of 18 mm, internal - 14 mm, length 250 mm and the same number of pipes of the same length made of copper M1 (GOST 859-78) with an external with a diameter of 10 mm, internal - 6 mm. With the indicated dimensions of the tube blanks, the thickness of each layer of brass is T _lat = 2 mm. As blanks for cladding layers, plates of 12Kh18N10T steel with a length of 270 mm and a width of 210 mm were used. The thickness of the cladding layers Tm = 3 mm, which is 1.5 · T _lat . Copper pipes were placed coaxially inside the brass pipes, and then a flat bag was assembled from clad plates and the obtained tube blanks and explosion welded. As a result of combining operations of high-speed pipe forming with explosion energy and explosion welding, the product shown in Figure 1 with

внутренними полостями овальной формы, с качественными сварными соединениями латунных и медных, а также латунных слоев между собой и с стальными плакирующими слоями, с повышенной прочностью на изгиб, высокой прочностью и герметичностью металлических слоев и перемычек между смежными полостями.oval-shaped internal cavities, with high-quality welded joints of brass and copper, as well as brass layers between themselves and with steel cladding layers, with increased bending strength, high strength and tightness of metal layers and jumpers between adjacent cavities.

Пример исполнения №2. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. Для изготовления композиционного теплообменника использовали 11 труб из латуни и 11 - из меди. Наружный диаметр латунных труб - 16 мм, внутренний - 12,8 мм, Т_лат=1,6 мм. Толщина плакирующих слоев Т_пл=2,5 мм, что составляет 1,6·Т_лат. Качество полученных изделий то же, что в примере №1.Execution example No. 2. The same as in example No. 1, but the following changes were made. For the manufacture of a composite heat exchanger, 11 brass pipes and 11 copper pipes were used. The outer diameter of the brass pipes is 16 mm, the inner is 12.8 mm, T _lat = 1.6 mm. The thickness of the cladding layers T _PL = 2.5 mm, which is 1.6 · T _lat . The quality of the products obtained is the same as in example No. 1.

Пример исполнения №3. То же, что в примере №1, но внесены следующие изменения. Для изготовления композиционного теплообменника использовали 12 труб из латуни и 12 - из меди. Наружный диаметр латунных труб - 14,8 мм, внутренний - 12,4 мм, Т_лат=1,2 мм. Толщина плакирующих слоев Т_пл=2,0 мм, что составляет 1,7·Т_пл. Качество полученных изделий то же, что в примере №1.Execution example No. 3. The same as in example No. 1, but the following changes were made. For the manufacture of a composite heat exchanger, 12 pipes made of brass and 12 pipes made of copper were used. The outer diameter of the brass pipes is 14.8 mm, the inner is 12.4 mm, T _lat = 1.2 mm. The thickness of the cladding layers T _PL = 2.0 mm, which is 1.7 · T _PL . The quality of the products obtained is the same as in example No. 1.

В сравнении с прототипом предложенная конструкция цельносварного композиционного теплообменника имеет более благоприятную - овальную форму поперечных сечений внутренних полостей, что, в сочетании с биметаллической конструкцией полостеобразующих элементов, четырехслойными пермычками между смежными полостями и с наличием стальных плакирующих слоев, обеспечивает более высокую прочность и непроницаемость для жидкостей и газов полостеобразующих элементов, а также более высокую прочность на изгиб изделия в целом.Compared with the prototype, the proposed design of the all-welded composite heat exchanger has a more favorable - oval cross-sectional shape of the internal cavities, which, in combination with the bimetallic design of the cavity-forming elements, four-layer crossings between adjacent cavities and the presence of steel cladding layers, provides higher strength and impermeability to liquids and gases of cavity-forming elements, as well as higher flexural strength of the product as a whole.

Claims

A composite heat exchanger with internal cavities containing tubular cavity-forming elements, characterized in that the cavity-forming elements are made of bimetallic with the outer layers of brass, the inner ones are made of copper, and in each cavity-forming element the brass layer is connected to the copper layer by explosion welding over their entire surface of contact, in the cross section, the internal cavities are oval in shape, adjacent cavity forming elements are interconnected and with steel cladding layers by welding in bounded by all contact surfaces, the thickness of the steel cladding layers is 1.5-1.7 of the thickness of the brass layer.